LE MACCHINE ELETTRICHE

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1 LE MACCHINE ELETTRICHE Principi generali Le macchine sono sistemi fisici in cui avvengono trasformazioni di energia. Quelle particolari macchine in cui almeno una delle forme di energia, ricevuta o resa, è di natura elettrica prendono il nome di macchine elettriche. In queste macchine la prima distinzione che occorre effettuare riguarda il tipo delle correnti che attraversano i circuiti che ad esse fanno capo. Secondo questa distinzione si possono avere macchine a corrente continua e macchine a corrente alternata nella forma monofase o polifase. LE MACCHINE ELETTRICHE Un'altra importante classificazione delle macchine elettriche può farsi in rapporto alla circostanza che l'energia elettrica sia presente all'ingresso della macchina oppure all'uscita; le macchine nelle quali l'energia elettrica è quella resa si chiamano generatori elettrici; le macchine nelle quali l'energia elettrica è quella assorbita, mentre quella resa è meccanica, si chiamano motori elettrici; le macchine nelle quali sia l'energia ricevuta che quella resa sono di natura elettrica si chiamano convertitori e nel caso particolare in cui la corrente è alternata tanto all'ingresso quanto all'uscita si chiamano trasformatori. 1

2 LE MACCHINE ELETTRICHE Un ultimo criterio di distinzione fra le macchine elettriche è quello di raggrupparle in macchine rotanti e in macchine statiche; Al primo gruppo appartengono principalmente i generatori e i motori elettrici, al secondo invece i trasformatori e i convertitori elettrici. Alcuni tipi di macchine rotanti a corrente alternata funzionano ad una velocità detta di sincronismo, rigidamente legata al valore della frequenza di alimentazione:a queste macchine si dà il nome specifico di macchine sincrone; in altre, invece, la velocità di rotazione dipende, oltreché dalla frequenza, anche dall'entità del carico, nel senso che variando il carico la velocità si discosta più o meno dal valore di sincronismo: queste macchine vengono perciò chiamate asincrone. Motori Elettrici In continua: motori DC universali a impulsi Passo-passo Brushless In alternata Sincroni Asincroni 2

3 ampere (A): intensità di corrente elettrica; volt (V): d.p.e. o tensione o f.e.m. ohm (Ω): resistenza elettrica coulomb (C): carica elettrica farad (F): capacità di carica Watt (W): potenza joule (J): energia wattora (Wh): energia Velocità di sincronismo la velocità di rotazione (giri/secondo) di un motore elettrico alternato è data dal rapporto tra la frequenza della corrente di alimentazione ed il numero di coppie di poli (p). Per frequenza a 50Hz: per p=1 per p=2 per p=3 per p=4 (50/1)x60= 3000 g/minuto (50/2)x60= 1500 g/minuto (50/3)x60= 1000 g/minuto (50/4)x60= 750 g/minuto 3

4 Velocità reale La velocità di sincronismo corrisponde alla velocità di rotazione del campo creato all interno dell avvolgimento dello statore. La velocità reale del rotore (misurata tramite un tachimetro) è di poco inferiore rispetto a quella di sincronismo. La differenza tra le due velocità prende il nome di slittamento e varia tra il 3% ed il 5% della velocità di sincronismo. cos Ф È il fattore di potenza; Il suo valore ha origine dallo sfasamento tra intensità di corrente e tensione, per via dell autoinduttanza del motore elettrico; Il prodotto dell intensità di corrente (amperometro) per la tensione (voltmetro) rendono soltanto la potenza apparente; per conoscere la potenza effettiva è necessario utilizzare un wattmetro. cos Ф =1 quando lo sfasamento è nullo; all aumentare dello sfasamento cos Ф diminuisce; 4

5 cos Ф In un motore il valore di cos Ф viene determinato comparando le indicazioni misurate con un voltmetro, un amperometro ed un wattmetro, infatti: Papparente= V(voltmetro)* I (amperometro) Preale= valore misurato con un wattmetro, pertanto: cos Ф = (misura del wattmetro)/ (V*I) 5

6 Coppia di avviamento Alcune macchine vengono messe in avviamento in fase di carica. È il caso dei compressori, per i quali, in fase di avviamento, è necessario non solo vincere l inerzia della macchina ma anche disporre dell energia per compiere la compressione; Si definisce pertanto il rapporto: Cd/Cn = (coppia di avviamento/coppia normale) Deve essere compreso tra 1,8-2. il rapporto dipende esclusivamente dalle caratteristiche dei motori Grado di protezione Definisce la protezione dei materiali elettrici nei confronti di possibili contatti, corpi solidi e penetrazione di liquidi. I gradi di protezione sono composti da sigle, composte sempre da IP seguito da due cifre caratteristiche del grado di protezione. Es.: IP cifra caratteristica (protezione vs. penetrazione solidi) 0 non protetto 1 protetto contro grossi corpi solidi 2 Protetto contro corpi solidi di media grandezza 3 Protetto contro piccoli corpi solidi 4 Protetto contro corpi solidi della grandezza di un granello di sabbia 5 Protetto contro la polvere 6 Protetto contro la penetrazione della polvere 6

7 Grado di protezione 2 cifra caratteristica (protezione contro la penetrazione di liquidi) 0 non protetto 1 protetto contro cadute verticali di gocce d acqua 2 Protetto contro cadute inclinate di gocce d acqua 3 Protetto contro cadute d acqua a pioggia 4 Protetto contro getti d acqua 5 Protetto contro getti d acqua intensi 6 Protetto contro grosse ondate 7 Protetto contro gli effetti di un immersione 8 Protetto contro gli effetti di un immersione prolungata Motori in continua DC MOTORI UNIVERSALI Sono i classici motori che troviamo ovunque, Vantaggi poco costosi, leggeri si possono comandare con estrema facilità, variandone la tensione di alimentazione si varia la velocità, Possono raggiungere velocità di rotazione di 20 mila giri minuto; Svantaggi la presenza di spazzole e collettore che oltre ad usurarsi generano disturbi e calore, scarsa precisione sia per il posizionamento sia per la velocità di rotazione (quest'ultima in particolare è legata a fattori variabili quali la temperatura) 7

8 Struttura di un motore DC Un motore in corrente continua di potenza medio/piccola è costituito da una carcassa fissa all'interno della quale è presente un campo magnetico generato, nei motori più piccoli, da magneti permanenti; nei motori di dimensioni più grosse è invece presente un avvolgimento percorso da corrente. Il rotore è costituito da una serie di spire solidali con l'albero rotante; il collegamento elettrico con l'alimentazione è costituito da due spazzole striscianti (brush) che costituiscono la parte più delicata del motore. Si tratta di cilindri in carbone o contatti in metallo che strisciano sul alcuni contatti elettrici ricavati nell'albero (il collettore). RENDIMENTO DEL MOTORE Il rendimento per le macchine a corrente continua assume valori diversi per le diverse condizioni di carico. Esso assume valori accettabili quando la macchina è caricata almeno oltre 1/4 della potenza di targa. 8

9 RENDIMENTO DEL MOTORE Inoltre, la curva dei rendimenti raggiunge un certo valore massimo oltre il quale il rendimento riprende a diminuire: in generale le macchine sono dimensionate in modo che tale massimo si verifichi verso i 3/4 del pieno carico, considerato che tale condizione di carico rappresenta l'utilizzazione prevalente. Motori sincroni- C.A. Sono macchine rotanti a corrente alternata, monofasi o polifasi, la cui velocità di funzionamento è rigidamente legata alla frequenza della tensione generata o applicata ai morsetti. La loro struttura prevede, a differenza delle macchine in corrente continua, l'induttore rotante, e quindi solidale col rotore, e l'indotto fisso, e quindi solidale con lo statore. 9

10 Motori sincroni ad ogni coppia di poli nord e sud corrisponde un periodo della tensione indotta; se il sistema induttore presenta p coppie polari si avranno p periodi per ogni giro e pertanto, se n è il numero di giri al minuto compiuti dal rotore, la frequenza generata sarà: è questa la fondamentale e semplice relazione che lega rigidamente tra loro il valore della frequenza e il numero di giri delle macchine sincrone. La relazione inversa: determina la velocità di sincronismo in giri al minuto corrispondente alla frequenza f per tutte le macchine sincrone aventi p coppie polari. Motori sincroni: rendimento Il rendimento, definito dal rapporto fra la potenza meccanica erogata e la potenza elettrica assorbita, dipende dalla corrente assorbita e dal fattore di potenza. Ciascuna delle curve ha l'origine in un punto che ha per ascissa la corrente assorbita nel funzionamento a vuoto con il fattore di potenza prefissato. 10

11 MOTORE ASINCRONO (ALTERNATO) MOTORE ASINCRONO (ALTERNATO) I motori asincroni polifasi, e in particolare i trifasi, costituiscono la categoria tecnicamente più diffusa di motori elettrici. Lo statore, che rappresenta il sistema induttore, è analogo a quello degli alternatori, mentre il rotore, che rappresenta il sistema indotto, è in genere costituito da una gabbia in rame o in alluminio con le estremità cortocircuitate. Il principio di funzionamento e sempre basato sulle leggi di Faraday e di Lorentz. Infatti, alimentando lo statore con un sistema di tensioni a frequenza f0, si genera un campo magnetico rotante alla velocità di sincronismo n. 11

12 MOTORE ASINCRONO (ALTERNATO) Se la velocità di rotazione del rotore è nr si definisce velocità di scorrimento la differenza (n0-nr) : essa rappresenta il numero di giri che il rotore perde, ad ogni minuto primo, rispetto al campo rotante. Si definisce scorrimento il rapporto fra la velocità di scorrimento e la velocità del campo rotante: MOTORE ASINCRONO (ALTERNATO) Le principali caratteristiche di funzionamento di un motore asincrono trifase sono quella della corrente assorbita (I%), del fattore di potenza (cosф), dello scorrimento (s%), del rendimento (η) e della coppia motrice (C%), tutte espresse in funzione della potenza resa (P%). 12

13 REGOLAZIONE DELLA VELOCITÀ C V 1 < V 2 < V 3 V 3 V 2 V 1 È possibile cambiare la velocità di regime agendo sulla tensione di alimentazione (valore efficace, frequenza) C f 1 f 2 f 3 C m C m n f 1 < f 2 < f 3 Variando il valore efficace della tensione di alimentazione si ottengono solo variazioni trascurabili della velocità di regime Variando la frequenza della tensione di alimentazione, si varia la velocità di sincronismo e si ottengono grandi variazioni della velocità di regime. La variazione della velocità risulta però limitata dalla riduzione della coppia massima all aumento della frequenza n C f 1 f 2 f 3V3 V V 1 V 1 < V 2 < 2 V 3 f 1 < f 2 < f 3 C m n Variando contemporaneamente la frequenza ed il valore efficace della tensione di alimentazione, si varia la velocità di sincronismo mantenendo costante la coppia massima e si ottiene la massima regolazione della velocità. Il valore efficace della tensione non può essere aumentato oltre il valore nominale. 13

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